岩石类材料动态断裂特性及数值模拟研究

摘要

由于岩石材料的抗拉强度远小于其抗压强度，在受载时破坏主要由张拉作用引起，并且这种破坏往往与加载率有关，随着工程实践的发展，了解岩石在动态载荷下的力学性能，对于避免地质灾害与巷道掘进等工程具有较好的理论指导意义。本文以两淮地区煤矿开采为背景，取采自淮南潘三煤矿的岩石加工为不同规格的巴西圆盘，利用不同速度对SHPB装置进行动态力学试验研究，并结合ANSYS/LS-DYNA有限元软件分析了脉冲形状对波形弥散的影响，主要包括如下内容:
　　1)介绍了本次试验用到的SHPB装置的理论依据、试验基本原理和两个重要假定，分析了SHPB试验设计方案，并运用一维应力波理论分析了应力波在SHPB试验中的传播，推导了SHPB试验的三波法和两波法数据处理公式。
　　2)试验研究了高应变率下岩石的动态拉伸性能，分析了试样破碎模式及起列顺序，讨论了试样冲击速度和几何尺寸对破坏时刻及应变率的影响，得了岩石动态拉伸强度的应变率效应及本构关系曲线。
　　3)对试验过程中，试样不是首先从中心起裂，而是从加载直径两端向中心扩展的现象，进行了理论分析，得到了合理的解释;对发射能、试样吸收能及透射能与入射能的关系进行了分析，并得到了不同速度冲击下能量的一些变化规律。
　　4)建立试验数值模型，选择合适的HJC参数，对试验过程进行数值模拟重现，验证了试验的有效性及试验结果的正确性。
　　5)延伸了试验装置的模拟，对大杆径SHPB装置的波形弥散现象进行讨论。分析了类矩形加载波与半正弦波对SHPB试验中波弥散的影响，分别对相同杆径和不同杆径上选取单元，来分析波的弥散现象，并对波形整形器尺寸及试样尺寸的变化对试验结果的影响进行了分析，得到了岩石动态拉伸强度的应变率效应，重构了岩石的应力应变曲线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 岩石动态力学性能研究的意义和目的

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 岩石拉伸强度的测量

1．2．2 国内外巴西劈裂试验研究现状

1．2．3 消除弥散效应研究现状

1．2．4 岩石率敏感性的研究现状

1．2．5 数值模拟应用的研究现状

1．3 本文主要工作

1．4 技术路线

第二章 SHPB试验技术与研究

2．1 引言

2．2 SHPB试验装置及试验原理

2．2．1 SHPB试验装置系统

2．2．2 SHPB试验基本原理

2．2．3 SHPB试验基本假定

2．3 SHPB试验方案的遵循原则

2．3．1 撞击杆长度的选择

2．3．2 入射杆长度的选择

2．3．3 透射杆长度的选择

2．4 SHPB试验装置的理论依据

2．4．1 弹性杆中的一维应力波理论

2．4．2 两弹性杆的共轴撞击

2．4．3 弹性波的反射和透射

2．5 本章小结

第三章 岩石SHPB动态劈裂拉伸力学性能试验与分析

3．1 引言

3．2 劈裂拉伸试验原理

3．3 实验过程

3．3．1 试样制备

3．3．2 试验方案

3．4 试验结果与分析

3．4．1 试验波形

3．4．2 试样的起裂顺序

3．4．3 劈裂破碎结果及分析

3．4．4 撞击速度及几何尺寸对试样应变率的影响

3．4．5 试验中能量耗散特征

3．4．6 强度的应变率效应

3．4．7 砂岩的动态劈裂应力应变曲线

3．5 本章小结

第四章 试验过程的数值模拟分析

4．1 引言

4．2 ANSYS／LS-DYNA软件简介

4．3 岩石材料本构模型

4．4 HJC模型材料参数

4．5 有限元单元的建立

4．6 试验过程模拟分析

4．6．1 模型有效性验证

4．6．2 试样内部水平应力分布平衡过程

4．6．3 试样劈裂顺序数值模拟

4．6．4 试样起裂位置与应变率的关系模拟

4．6．5 试样破坏模式模拟

4．6．6 冲击速度对试样破坏时刻的影响模拟

4．6．7 试验过程能量耗散的模拟

4．6．8 不同冲击速度下应力应变曲线的模拟

4．7 本章小结

第五章 脉冲形状对波传播弥散的影响分析

5．1 引言

5．2 改善波形弥散效应方法

5．2．1 未加波形整形器圆柱形冲头波形

5．2．2 波形整形器对波形的影响

5．2．3 异性冲头的波形

5．2．4 波形整形器的尺寸影响

5．3 试样的尺寸变化对波形及破坏时刻的影响

5．4 不同杆径对波形弥散的影响

5．5 脉冲形状对岩石本构关系的影响

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果